考虑SPI或I2C时需要权衡？

在决定使用SPI或I2C接口时应该考虑哪些权衡？

该加速度计/陀螺仪分接板有两种型号，每个接口一个。哪一个更容易集成到Arduino项目中？

http://www.sparkfun.com/products/11028

摘要

• SPI更快。
• 如果您的微控制器没有I2C控制器，则I2C更为复杂且不那么容易使用。
• I2C仅需要2条线。

I2C是在SDA线上具有双向数据的总线系统。SPI是点对点连接，数据输入和数据输出在单独的线（MOSI和MISO）上。

本质上，SPI由一对移位寄存器组成，您可以在其中将数据输入一个移位寄存器，而将数据从另一个移出。通常，每次连续8个时钟脉冲以字节为单位写入数据，但这不是SPI的要求。如果愿意，您还可以设置16位甚至13位的字长。在I2C中，同步是通过SPI中的启动序列来完成的，而同步是由SS变为高电平（SS为低电平有效）来完成的。您可以确定这是多少个时钟脉冲。如果使用13位字，SS将在13个时钟脉冲后锁存最后一个时钟输入位。
由于双向数据位于两条不同的线上，因此很容易进行接口。

标准模式下的SPI至少需要四条线：SCLK（串行时钟），MOSI（主机输出从机输入），MISO（主机输入从机输出）和SS（从机选择）。在双向模式下至少需要三条线：SCLK（串行时钟），MIMO（主输入主输出）和MOSS（从选择），其中MOSI或MISO线之一。在具有多个从站的系统中，每个从站都需要一条SS线，因此对于从站，在标准模式下您需要N + 3条线，在双向模式下您需要N + 2条线。如果您不希望这样做，则可以在标准模式下，通过将一个从站的MOSI信号连接到下一个从站的MISO信号，以菊花链方式连接从站。这将减慢通信速度，因为您必须循环访问所有从站数据。$N$$N+3$$N+2$

就像tcrosley所说的那样，SPI的工作频率比I2C高得多。

I2C有点复杂。由于它是总线，因此您需要一种寻址设备的方法。您的通信从一个独特的开始序列开始：当时钟（SCL）为高时，数据线（SDA）被拉低，而其余的通信数据仅在时钟为低时才被改变。该开始序列同步每个通信。
由于通信包括寻址，所以对于任何数量的设备（最多127个）仅需要两条线。

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显然，数据线是双向的，但值得注意的是，时钟线也是如此。从站可能会延长时钟来控制总线速度。这使得I2C不太方便进行电平转换或缓冲。（标准模式下的SPI线都是单向的。）

发送每个字节（地址或数据）后，接收器必须通过在SDA上放置一个确认脉冲来确认接收。如果您的微控制器具有I2C接口，则将自动进行处理。如果您的微控制器不支持它，您仍然可以对其进行位冲击，但是对于每个确认或读取数据，您都必须将I / O引脚从输出切换为输入，除非您使用I / O引脚进行读取和读取。一种写作。

在400kHz时，标准I2C比SPI慢得多。有些高速I2C器件的工作频率为1MHz，但仍比20MHz的SPI慢得多。

（编辑：要清楚，以下许多问题与Ilin / I2C / SPI设备的板对板使用引起的信号完整性有关。）

除非您有约束力将您推向更少的电线（我们有一个项目采用的是密封连接器，每个附加的触点都相当昂贵），否则请尽可能避免使用I2C，并坚持使用SPI。

SPI在硬件和软件基础上都非常容易处理。在硬件中，有两条共享数据线，即主机输入从机输出（MISO或SOMI）和主机输出从机输入（MOSI或SIMO），主机生成的共享时钟以及每个设备一个芯片选择。CS线变为低电平，时钟周期并实质上移入输入位并移出输出位，直到事务完成为止，此时CS线变为高电平。当它们的CS线为高电平时，从设备不进行通信：它们忽略CLK和MOSI线，并将其MISO引脚置于高阻抗状态，以供其他人使用。

如果您有一个使用多个SPI设备的微控制器，并且具有内置的SPI外设，则将微控制器的CS输出发送到解复用器（例如74HC138），并控制地址线在SPI事务之间选择设备；您可以将字写到寄存器中以使其排队等候输出，并在CS引脚变为高电平后将其读回。

由于SPI信号都是单向的，因此可以对其进行缓冲，与数字隔离器一起用于隔离栅，并可以使用LVDS之类的线路驱动器在板与板之间发送信号。您唯一需要担心的是往返传播延迟，它将限制您的最大频率。

I2C是一个完全不同的故事。尽管从布线的角度来看要简单得多，但只有两条线SCL和SDA，这两条线都是共享的双向线，它们使用带有外部上拉的开漏器件。有一个I2C协议以传输设备地址开始，因此，如果每个设备都有自己的地址，则可以使用多个设备。

从硬件的角度来看，在噪声较大的系统中很难使用I2C。为了缓冲或隔离I2C线路，您必须求助于奇异的IC-是的，它们存在，但数量不多：我们在一个项目上使用了一个，并意识到可以使用一个隔离器，但不能使用两个串联-它使用小的电压降来确定物体的驱动端是哪一侧，而两个串联的电压降是两个。

I2C的逻辑电平阈值取决于Vcc，因此，如果在同一系统中使用3V / 3.3V和5V器件，则必须格外小心。

任何使用一英尺或两英尺以上电缆的信号都必须担心电缆电容。多芯电缆的电容为100pf /米。这导致您必须降低总线速度或使用较低的上拉电阻，才能正确处理额外的电容并满足上升时间要求。

因此，假设您拥有一个设计良好的系统，并且可以处理大多数信号完整性问题，并且噪声很少（但仍然存在）。你要担心什么

您必须准备处理许多错误条件：

• 从设备不应答特定字节。您必须检测到这一点，然后停止并重新启动通信序列。（使用SPI，如果要确保已正确接收到数据，通常可以读回发送的数据。）

• 您正在从从设备读取一个字节的数据，并且由于时钟线上的噪声而将该设备“催眠”：您已发送了必需的8个时钟来读取该字节，但是由于噪声，从设备认为它已接收到7个时钟，并且仍在数据线上发送0。如果设备已接收到第8个时钟，它将释放数据线为高电平，以便主机可以升高或降低数据线以发送ACK或NACK位，或者主机可以发送停止（P）条件。但是从机仍将数据线保持在低电平，徒劳地等待另一个时钟。如果主机不准备尝试额外的时钟，则I2C总线将陷入死锁状态。虽然我使用了几种微控制器来处理正常的ACK / NACK条件，

• 真正糟糕的情况是，当一个主设备正在将数据写入一个从属设备，而另一个从属设备则错误地解释了设备地址，并认为传输的数据是为该设备指定的。我们有一些I2C设备（I / O扩展器），因此有时会错误地设置寄存器。要检测这种情况几乎是不可能的，并且要对噪声具有鲁棒性，您必须定期设置所有寄存器，这样，如果您确实遇到此错误，至少可以在短时间内将其修复。（SPI永远不会出现此问题-如果您碰巧在CS线上出现故障，它将永远不会持续很长时间，并且您不会被错误的从属设备意外读取数据。）

如果存在错误检测（CRC码），则协议中的许多条件都可以正确处理，但是很少有设备具有此功能。

我发现我必须在I2C主设备中构建复杂的软件来处理这些情况。我认为，除非接线方面的限制迫使我们使用I2C而不是SPI，否则这是不值得的。

实际上，SparkFun的设备分线板仅适用于I2C版本（MPU-6500）。MPU-6000版本在同一芯片上同时具有SPI和I2C接口，我看不到SparkFun有一块带有该芯片的电路板。因此，我相信如果您要使用该特定板子，则只能使用I2C。但是出于以下原因，无论如何我还是建议您使用I2C。

通常，从硬件的角度来看，您会发现I2C总线比SPI总线更易于使用。I2C是2线总线（SCL / SDA）：

SCL – Serial clock.
SDA – Serial data (bidirectional).

SPI是4线总线（SCLK / MOSI / MISO / CS）：

SCLK– Serial clock.
MOSI – Master-out, Slave-in. Data from the CPU to the peripheral.
MISO – Master-in, Slave out. Data from the peripheral back to the CPU.
CS – Chip select.

您可以将多个设备连接到一条I2C总线。每个设备都有内置于芯片中的自己的一组地址。该地址实际上在总线上作为每个命令的第一个字节（连同读/写位）一起广播。对于相同的功能，这以及其他一些开销要求通过I2C总线与SPI发送更多位。

不同类别的设备（内存，I / O，LCD等）具有不同的地址范围。某些设备在系统中通常不止一次使用（例如PCF8574 I / O扩展器），它们使用一条或多条地址线（对于PCF8574为AD0-2），可以将其绑定为高电平或低电平以指定低位地址的。MPU-6500具有一个这样的地址线（AD0），因此其中两个可以在同一系统中使用。

您还可以在SPI总线上具有多个设备，但是每个设备必须具有自己的片选（CS）线。因此4线描述有点用词不当-实际上是3线接口+每个设备增加一条线。我对Arduino系列板没有经验，但是我相信这会使在Arduino上使用SPI更加困难，因为如果您需要大量的芯片选择线，那么各种屏蔽使用的通用引脚分配将变得很麻烦。

我相信大多数Arduino开发板都以5伏电压运行，而一些较新的板则以3.3v运行。MPU-6500在3.3v下运行。如果5v CPU上I2C总线的最小输入“高”电压为3v或以下，则可以通过在SCL和SDA线上仅提供10K上拉电阻至3.3v来避免电平转换问题，因为总线是开放的，集电极。确保禁用CPU上的任何5v内部上拉电阻。

但是我检查了ATmega2560的数据表（以ADK 5v Arduino为例），其最小输入“高”电压为0.7 * Vcc或3.5v（大于3.3v），因此您需要某种有源电平TI PCA9306在芯片的5v和3.3v侧均需要上拉电阻，单颗价仅为78美分。

为什么然后选择I2C上的SPI？主要是因为SPI可以更快地运行-在某些情况下高达10兆赫兹。I2C通常限制为400 KHz。但这对于MPU-6050 / 6000加速度计来说并不是真正的问题，因为它在I2C上以400 KHz运行，而在SPI上仅以1 MHz运行-差别不大。

通常，SPI是一条更快的总线-时钟频率可以在MHz范围内。但是，SPI至少需要3条线进行双向通信，并为总线上的每个设备选择一个附加的从器件选择。

I2C仅需要2条线路，而不管您有多少个设备（当然，在限制范围内）。但是，速度在kHz范围内（典型值为100-400kHz）。

如今，大多数微控制器都为两条总线提供硬件支持，因此两者的使用同样简单。

SPI的运行速度比I2C快得多（某些SPI设备的运行频率超过60MHz；我不知道“官方” I2C规范是否允许设备超过1MHz）。使用这两种协议来实现从设备都需要硬件支持，而两者都可以轻松实现“软件位爆炸”主设备。使用相对最少的硬件，就可以构造一个符合I2C的从机，即使主机可以一次决定在500us的时间内无视总线，而又不需要额外的握手线路，它也可以正常运行。可靠的SPI操作，即使有硬件支持，也通常要求增加一条握手线，或者要求主机“手动”在每个字节之后添加一个延迟，该延迟等于从机的最坏情况响应时间。

如果我有德雷特，控制器的SPI支持将包含一些简单的额外功能，以使用握手和唤醒功能的控制器之间总共使用三条单向电线（时钟和MOSI [主主机的[out-slave-in]；从站的MISO [master-in-slave-out]。相比之下，当带有“备用” SPI端口的微控制器之间进行有效且可靠的通信时，两个处理器都可能被独立延迟任意时间长度，则需要使用更多的电线（启动芯片选择，时钟，MISO和MOSI）如果从站可能开始异步发送数据（例如，因为有人按下了按钮），那么一个从站可能必须使用另一根线作为“唤醒”。

I2C并没有提供我的“改进” SPI所具有的全部功能，但它确实提供了SPI所缺乏的内置握手功能，并且在许多实现中，即使主控方是一个主叫方，也可以将其唤醒。软件位爆炸。因此，对于处理器间通信，我强烈建议使用SPI上的I2C，除非需要的速度比SPI所能提供的更高，并且可以使用额外的引脚。对于需要低引脚数的处理器间通信，UART有很多建议。

这个问题已经在此处的出色答案中进行了深入探讨，但是从芯片制造商的角度来看，也许我还可以提供I ² C 的另一种观点。

I ² C的电气接口是集电极开路。现在，呼吸一下，思考其中的含义。使用I ² C，我可以设计一个与总线的工作电压完全无关的芯片。我需要做的就是将SDA线拉低（如果我愿意），然后将SCL和SDA的电压与一些我可以选择的接地基准阈值电压进行比较。而且，如果我省去了普通的高端保护结构并用其他结构替换，我可以制造出完全可以独立于系统其余部分使用的芯片-SCL，SDA永远不会向我的芯片提供任何电流，当然不会向这些引脚提供任何电流。这就是为什么它对于实时时钟和其他类似低功耗设备而言如此出色。

在其他答案中我没有看到的一件事是I2C在同一总线上支持多个主机。如果您需要双向通信并且不想使用基于轮询的方法，则I2C将完成这项工作。

在更长的距离上，CAN具有相同的功能并且更坚固。但是CAN是需要硬件支持和收发器的异步协议，因此在低成本系统中可能不是一个选择。

每当同步时钟上升时，使用SPI协议并将您的位直接写入设备。xnor逻辑电路可用于匹配存储器中的“自制”地址，以选择所需设备，就好像它是i2c设备一样。

i2c正在将授权电路集成到设备的格式中，标准...等复杂而又不同，使用spi，您可以使用spi存储器在屏幕上显示视频，但不能使用i2c。